数字矿山的国内外动态

2 中国矿山面临的挑战
近年，中国矿山行业的信息化建设虽然有了较大发展，但总体状况仍然
很不乐观。中国矿山在矿山勘察、规划、设计、生产、管理、全过程监
控等信息化“软”领域，与发达采矿国家的差距越来越大。中国矿山既 没有把信息资源当作矿山的重要战略资源之一加以统筹开发和综合利用，
更没有形成系统性能稳定、信息资源充足的矿山信息基础设施（Mine
定了向矿山自动化进军的“Grountecknik 2000”战略计划。中国矿业
大学等单位也相继开展了采矿机器人（MR）、矿山地理信息系统 （MGIS）、三维地学模拟（3DGM）、矿山虚拟现实（MVR）、矿山 GPS定位等方面的技术开发与应用研究。
数字矿山及其战略意义


1 国际动态
1997年7月，澳大利亚联邦科工组织（CSIRO）制定了一项关于煤炭勘探与开
文件、档案、统计数据等）为综合手段，来建立精确、动态和全面的矿
山综合信息采集与数据更新系统。只有实现了矿业综合数据的动态采集 与快速更新，才能为动态时效的3DGM与MGIS提供数据粮食，为遥控 采矿或无人采矿提供信息保障。此外，还要在3DGM的基础上，基于统 一的时空参照、元数据和编码，根据需要将上述多源异质数据进行有选 择的融合和分类，形成无缝无斥的数据组织。
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数字矿山原型：遥控采矿
现在，Inco公司已研制出样机系统，并在加拿大安太略省的萨德泊里盆地的几 家地下镍矿试用。实现了从地面对地下矿山进行控制，甚至可以从400Km以外 的首都多伦多对地下镍矿的采、掘、运活动进行远距离控制。遥控采矿的核心 部件是Inco公司开发的一个能在地下获取定位数据的名叫HORTA的装置。将 该装置安装在地下观测车上，当观测车在地下或矿体内部巷道中漫游时，

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1 国际动态
加拿大已制订出一项拟在2050年实现的远景规划：即将加拿大北部边 远地区的一个矿山实现为无人矿井，从萨得伯里通过卫星操纵矿山的所 有设备实现机械自动破碎和自动切割采矿；芬兰采矿工业也于1992年 宣布了自己的智能采矿技术方案，涉及采矿实时过程控制、资源实时管 理、矿山信息网建设、新机械应用和自动控制等28个专题；瑞典也制
数字矿山及其战略意义


数字矿山原型：遥控采矿
国际著名矿山企业——加拿大国际镍公司（Inco）从20世纪90年代初 开始研究遥控采矿技术，目标是实现整个采矿过程的遥控操作。Inco 公司给遥控采矿下的定义是：“利用目前最先进的技术，包括地下通讯、 定位、工艺设计、监视和控制系统，去操纵采矿设备与采矿系统。”遥 控采矿工艺包括自动凿岩、自动装药与爆破、自动装岩、自动转运、自 动卸岩和自动支护等，其技术基础是高速地下通讯系统和高精度地下定 位、定向系统（要求达到mm级）。
采矿业是以自然资源为生产对象的古老产业，绝大多数矿山企业还处在 劳动密集性阶段，信息化程度很低。综观历史，采矿业曾受到大大小小 技术进步的巨大冲击。如今，数字地球（Digital Earth, DE）和数字 中国（Digital China, DC）的钟声，已经和正在惊醒一代采矿人。作 为矿山测量界的一员，回顾过去，展望未来，设想21世纪数字矿山模式， 令人激动也富于挑战。
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3 数字矿山的基本特征
基于DM的定义，分析认为，DM应具有以下六大特征：以高速企业网 为“路网”、以采矿CAD（MCAD）、虚拟现实（VR）、仿真（CS）、 科学计算（SC）与可视化（VS）为“车辆”、以矿业数据和矿业应用 模型为“货物”、以真三维地学模拟（3DGM）和数据挖掘为“包装”、 以多源异质矿业数据采集与更新系统为“保障” 和以矿山GIS（MGIS） 为“调度”。DM的最终表现为矿山的高度信息化、自动化和高效率， 以至无人采矿和遥控采矿。
与模型仓库所管理的矿业模型，就是可以被各类“车辆”
在DM“路网”上运输的数字“货物”。
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4）以3DGM和数据挖掘为“包装”
为满足不同用户和不同目的的需要，必须对“数据与模型仓库”中的海量数据 与模型进行相应“包装”处理，即进行数据与模型的过滤和重组。三维地学模 拟（3DGM）是DM的技术核心之一。它是基于钻孔资料、地震资料、开挖设 计数据及各类物探、化探资料，来建立矿山井田、矿体与采区巷道及开挖空间 矢栅整合的真3D模型。在此基础上进行矿床地质条件评估、地质构造预测、精 细地学参量半定量分析、深部成矿定位预测、矿产资储量管理、经济可采性评 估、开拓设计、支护设计和风险评估等，从而辅助矿山决策，确保矿山工程的 科学、可靠与安全。 数据挖掘是利用基于知识的工程（KBE）技术和人工智能，从DM中的海量矿 山数据中为用户挖掘有用数据、获取决策信息，以及建立求解各类具体工程、 生产、管理与经营等问题的应用模型，是DM的实用化工具。只有当DM能够方 便、快速地从其数据仓库中提取用户所需的显式数据与模型，智能、快速地从
和并行计算技术的采用，矿山业主和技术人员不仅可以对 采矿活动造成的地层环境影响进行大规模模拟与虚拟分析， 而且可对矿工进行虚拟岗前培训，提高矿工的安全意识、 防灾减灾能力和作业工作效率。
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3) 以矿业数据和应用模型为“货物”
DM的核心是数据仓库。DM数据仓库由两部分组成，就象 人的左右心室：一侧为数据仓库，管理海量的矿山地物的 几何信息、拓扑信息和属性信息；另一侧为模型仓库，管 理各类为矿业工程、生产、安全、经营、管理、决策等服 务的各类专业应用模型，如开采沉陷计算、开采沉陷预计、 顶板垮落计算、围岩运动模型、储量计算、通风网络解算、 瓦斯聚集模型、涌水计算等。数据仓库所管理的海量数据
HORTA就会利用其激光陀螺仪和激光扫描仪在水平和垂直面上扫描矿山巷道的
断面，进而产生巷道的三维结构图。Inco公司还计划将HORTA完善后，将其 安装在钻机上。届时，安装了HORTA装置的钻机将自动驶往目标巷道，自动完 成开凿作业，然后再自动驶往下一巷道。
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数字矿山原型：遥控采矿
目前，Inco公司在Stobie矿和Greighton矿分别有6台和8台遥控采矿 设备投入运行。1999年6月，Inco公司在地面的一幢大楼内设立了一 个中央控制站，对该公司所属的多个矿山、多个矿体的开采活动进行集 中自动控制。由此，地下矿山的采、掘、运均实现了无人作业，即无人 采矿（hands-off mining），仅当设备出现故障时，维修人员才会到 达采掘现场。
Infrastructure）。分析认为：我国矿山企业信息化建设的“无路无 车”、“有路无车”或“车货不一”情况[7]的出现，是因为中国矿山
的决策者、管理者和工程技术人员，在矿山信息化建设方面存在因循守
旧、短期效益、重硬轻软和事不关己4种情结[8]。这4种不良情结影响 甚至限制了矿山信息化建设的健康发展。
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1 国际动态
随着实时矿山测量、GPS实时导航与RS、GIS管理与辅助决策和 3DGM的应用，国际上一些大型露天矿山（包括我国的平朔、霍林河矿 区）已可在办公室生成矿床模型、矿山采掘计划，并与采场设备相联系， 形成动态管理与遥控指挥系统。此外，专家系统、神经网络、模糊逻辑、 自适应模式识别、遗传算法等人工智能技术、GPS技术、并行计算技术、 射频识别技术以及面向岩石力学问题的全局优化方法、遥感技术等已在 智能矿山地质勘探调查与测量、智能矿山设计、智能矿山开采、计划与 控制、矿山灾害遥感预报等研究领域得到应用
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2 中国矿山面临的挑战
但近 5年来，中国矿业与矿业城市遇到了空前的生存与发展困境，如矿竭城衰、 减产限产、低位运行、大量失业等。原因主要是： 1 ）矿业投入不足，后备储 量缺乏，技术装备普遍落后于国外 15~20年；2）矿产资源利用水平不高，全 国矿产资源总回收率为30~50%，比发达国家低10~20%；3）矿业开发过程 中生态环境问题日趋突出，采选所造成的环境污染严重，来自环境的压力与日
采的三年研究计划，投入3100万澳元，围绕资源评估、采矿工艺革新、矿井瓦 斯控制与利用、自动化、安全和材料精细控制等六个方面、按18个专门项目进 行研究。其中地质评估与急救响应是最具特色的两项。1）地质评估：开发了 一个基于3D块体模型的软件来评估矿井或采区的地层环境（沉积环境）；并且 通过一个交互式3D（和4D）软件包来对多种异质数据（微震监测数据、中子 伽玛采样数据等）进行3D可视化；以及通过有限元/有限差分（FE/FD）模型

பைடு நூலகம்其数据仓库中重新组织并产生用户所需的隐式数据与模型的能力时，DM的海
量矿山信息才能被未经过特别培训的用户和各业务部门所共享。
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5) 以多源异质矿业数据采集与更新为“保障”
DM必须以测量（遥感RS、全球定位系统GPS、数字摄影测量DP、常 规地面测量NS和井下测量US等）、勘探（钻探、槽探、山地工程、地 球物理物探、化探等）、传感（指各类接触式与非接触式矿山专用传感 与监视设备/仪器采集系统，如应力传感、应变传感、瓦斯传感、自动 监测、机械信号与故障传感、工业电视等）和文档录入（法规、法令、
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2）以MCAD、VM、MS、SC、AI与SV为“车辆” 为满足不断扩展的矿山需求，必须开发适合不同用户层次、 具有不同功能的矿山应用系统和软件模块，即需要制造多 品种、多型号的“车辆”：如采矿CAD、采矿仿真技术、 各类科学计算工具（如有限元、离散元、边界元和有限差
分模型等）和3D可视化工具等。随计算机性能的不断提高
俱增。此外，来自国际市场的高产、高效、高质量、低成本的矿产品的竞争，
以及来自非法掠夺式开采和国内市场的非正当竞争，也是一个不可忽视的重要 方面。国家“十五信息化发展规划”中明确指出要利用信息技术改造和提升传 统产业，中国矿山作为一类典型的传统采矿业，已经或正在面临信息技术的挑 战和洗礼。
数字矿山及其战略意义
来逼真地模拟开采后的岩体变形。2）急救响应：开发了一个人身安全定位与
监测系统，该系统由控制装置、监测设备、网络灯标和矿工异频雷达收发机组 成，具有无线通讯能力，即使在发生瓦斯爆炸等井下灾害之后仍能报告井下矿 工的位置和安全状况；并开发了一个名叫Numbat的遥控无人驾驶急救车，用 于爆炸之后对伤员进行紧急抢救。

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2 中国矿山面临的挑战
建国以来，中国矿业经过半个世纪的快速发展，已建成国有矿山近万座， 集体矿山和其他非国有矿山20多万座，年开采矿石量超过50亿t，从业 人员2100万，带动了300座以采矿和矿产品加工为支柱产业的矿业城 市的兴起（其中煤炭城市54座）。乡及乡以上的矿产采选业产值占 GDP的6.27%(1997年)；全国固体矿产产值占世界产值的 16.5%(1996年)，居世界第二位，能源矿产产值占世界的9.1% （1996年），居世界第三位。中国已由一个矿业弱国跃入世界矿业大 国的行列
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6) 以MGIS为“调度”
数字矿山及其战略意义

1) 以高速企业网为“路网”
DM的建设与矿山业务运行是以高速企业网为基础，逐渐建 立宽带、高速和双向的通讯网络，确保海量矿山数据在企 业内部、省内与省际矿业网络[1]快速传递。同时，还必须 与NII（National Information Infrastructure）与DC建 设相协调，以利于矿山产品、经营等社会化信息在 Internet上的快速传递，便于矿山信息的公众共享和产品 市场的实时运作。因此，高速企业网技术是关键之一。
数字矿山的基本特征与关键技术

人类生存的空间是有限的，而生存的过程是无限。如何合理开发与利用 有限空间中（地球）的有限矿山资源来满足人类社会在无限时间中的可 持续发展需求，已成为人类社会的共同主题。在以知识经济为特征的信 息社会中，信息不仅将作为一种重要的经济资源，而且将作为一种物质 形式与自然资源相耦合，成为人类生存与发展的基础，并规范人类开发、 加工和利用各类自然资源（包括矿产资源）的方式与方法。